機(jī)械爐排鍋爐提高運(yùn)行熱效率的科學(xué)操作方法

楊旭亮

（上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200232）

隨著國(guó)內(nèi)大型城市人口規(guī)模的進(jìn)一步增加，大型機(jī)械爐排鍋爐的應(yīng)用將更加廣泛。而大型機(jī)械爐排鍋爐技術(shù)目前還主要依靠進(jìn)口，國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的單條焚燒線規(guī)格仍然少于500 噸/日，這樣勢(shì)必會(huì)影響國(guó)內(nèi)垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展[1]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)大型焚燒爐的技術(shù)空缺填補(bǔ)，應(yīng)將提高機(jī)械爐排鍋爐的熱效率作為主要目標(biāo)，只有突破大型爐排關(guān)鍵技術(shù)，基于科學(xué)操作層面提升排爐的運(yùn)行熱效率，才能為城鎮(zhèn)快速、穩(wěn)定發(fā)展多作出貢獻(xiàn)[2]。因此，下述將結(jié)合排爐的運(yùn)行原理與燃燒調(diào)整目標(biāo)，對(duì)提升排爐的熱效率科學(xué)操作方法展開(kāi)設(shè)計(jì)研究。

1 機(jī)械爐排鍋爐燃燒調(diào)整的原則

為實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械爐排鍋爐燃燒的全面優(yōu)化，應(yīng)在對(duì)其燃燒調(diào)整前，進(jìn)行爐排系統(tǒng)的全新認(rèn)知。目前國(guó)內(nèi)垃圾焚燒爐包含料斗、溜槽、推料裝置、燃燒爐排、焚燒爐體、爐下灰斗、主灰斗、出渣機(jī)等部件，爐排爐立面布置圖隨著焚燒爐規(guī)模的增加爐型基本不變，爐排爐的剖視圖通過(guò)增加橫向長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)單爐焚燒規(guī)模[3]。機(jī)械爐排鍋爐結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 機(jī)械爐排鍋爐結(jié)構(gòu)

爐排的橫向增加，對(duì)爐排爐的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、中間吸收裝置、焚燒爐鋼梁的承載等部件設(shè)計(jì)提出了更高的要求，爐排寬度的增加尤其是對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及中間吸收裝置提出要求。在運(yùn)行過(guò)程中，爐排受熱膨脹量會(huì)受到爐內(nèi)燃燒的不均勻性因素影響，如果調(diào)整過(guò)緊，容易出現(xiàn)運(yùn)行卡滯，如有調(diào)整過(guò)大，易出現(xiàn)爐內(nèi)進(jìn)風(fēng)量過(guò)大，熄滅垃圾等問(wèn)題[4]。同時(shí)，油缸驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推進(jìn)爐排，會(huì)導(dǎo)致單列爐排過(guò)大，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受熱變形，進(jìn)而對(duì)爐排推進(jìn)的均勻性造成影響。

為解決上述問(wèn)題，本文將從下述6 個(gè)方面，對(duì)機(jī)械爐排鍋爐燃燒調(diào)整的原則進(jìn)行描述。在鍋爐正常運(yùn)行條件下，工作人員需要及時(shí)進(jìn)行爐內(nèi)各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、燃燒數(shù)據(jù)的記錄，根據(jù)記錄結(jié)果進(jìn)行爐內(nèi)燃燒的調(diào)整，確保鍋爐在安全穩(wěn)定的條件下運(yùn)行[5]。為滿足此種運(yùn)行需求，提出“六個(gè)保持”調(diào)整原則，具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 機(jī)械爐排鍋爐燃燒調(diào)整“六個(gè)保持”原則

2 機(jī)械爐排鍋爐提高運(yùn)行熱效率的科學(xué)操作方法設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械爐排鍋爐脫硝、脫硫處理

為達(dá)到提高機(jī)械爐排鍋爐運(yùn)行熱效率的目的，首先從脫硝、脫硫的角度出發(fā)，在提升運(yùn)行熱效率同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐煙氣凈化處理，從而達(dá)到超凈排放的效果。當(dāng)前常見(jiàn)的煙氣凈化處理主要有濕法、干法、半干法、SCR 和SNCR，煙氣再加熱系統(tǒng)一般分為煙氣換熱器（GGH）和蒸汽換熱器（SGH）。目前國(guó)內(nèi)最常用的、經(jīng)濟(jì)效益最佳的煙氣處理工藝是煙氣再循環(huán)+SNCR+干法+半干法。SNCR 脫硝技術(shù)即非催化還原劑，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程是通過(guò)在焚燒爐內(nèi)850-1000°C 的溫度區(qū)域噴入，使氮氧化物還原成氮?dú)夂退?。常?guī)SNCR 反應(yīng)效率可達(dá)到33%，設(shè)置煙氣再循環(huán)后可以達(dá)到55%左右。半干法主要由氫氧化鈉制備罐、儲(chǔ)備罐、旋轉(zhuǎn)霧化器、霧化漿液和煙氣混合等系統(tǒng)組成。經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)霧化器高速旋轉(zhuǎn)將石灰漿霧化，使其在反應(yīng)塔中與煙氣中的酸性氣體充分反應(yīng)。干法主要吸收劑為消石灰或碳酸氫鈉，消石灰干粉為最常用，碳酸氫鈉也是很好的吸收劑，其對(duì)酸性氣體吸收效果高于消石灰干粉，但是碳酸氫鈉成本遠(yuǎn)高于消石灰干粉，使用消石灰干粉作為吸收劑，可滿足《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18485-2014）要求，如果對(duì)去除酸性氣體要求不高的地區(qū)，為節(jié)約成本設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮消石灰干粉。為滿足歐盟2010 標(biāo)準(zhǔn)，可以采用干法+半干法從而更好去除煙氣中的酸性氣體，如圖2。

圖2 煙氣再循環(huán)+SNCR+半干法+干法

隨著環(huán)保要求的提高，煙氣指標(biāo)也相應(yīng)的提高，特別在沿海一線城市，為達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的低排放目標(biāo)，脫銷、脫酸工藝一般為煙氣再循環(huán)+SCR+SNCR+干法+濕法工藝組合在一起，是目前最完成、處理標(biāo)準(zhǔn)最高的煙氣凈化工藝組合，主要應(yīng)用在一線大城市及經(jīng)濟(jì)效益好、對(duì)排放總量要求高的地區(qū)。

2.2 合理布置前、后拱，強(qiáng)化爐內(nèi)燃燒

在實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的脫硝和脫硫處理后，考慮到當(dāng)前垃圾焚燒發(fā)電爐排鍋爐運(yùn)行，因此其燃燒體系當(dāng)中的前拱較短但位置較高；后拱較長(zhǎng)但位置較低。這一結(jié)構(gòu)造成鍋爐在使用過(guò)程中，其爐膛水冷度較大。在使用爐排鍋爐時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)起火難度增加的問(wèn)題，且容易斷火的問(wèn)題產(chǎn)生，嚴(yán)重影響垃圾焚燒發(fā)電的效率[8]。針對(duì)這一問(wèn)題，通過(guò)對(duì)前、后拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布置的方式，實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒發(fā)電爐排鍋爐對(duì)爐內(nèi)燃燒的強(qiáng)化，從而達(dá)到提高垃圾焚燒發(fā)電熱效率的目的。在對(duì)鍋爐前后拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，遵循針對(duì)性和通用性原則，分別設(shè)計(jì)兩種不同的拱形結(jié)構(gòu)，前者采用輻射型前拱結(jié)構(gòu)，不放置后拱，利用擋火墻代替后拱；后者采用前拱中加中拱或前拱加超低后拱的結(jié)構(gòu)。

從圖3 中可以看出，通過(guò)增加中拱結(jié)構(gòu)后，其具備的有利于煙氣混合的優(yōu)勢(shì)能夠得到充分發(fā)揮，以此提升爐溫，促進(jìn)垃圾焚燒發(fā)電效率提升，從而提高爐排鍋爐整體運(yùn)行熱效率。

圖3 機(jī)械爐排鍋爐前后拱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.3 增加爐排有效面積，確保鍋爐出力

當(dāng)前大部分工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行垃圾燃燒發(fā)電時(shí)，其鍋爐的額定出力無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水平。因此，根據(jù)這一現(xiàn)象可以看出，爐排的有效面積也是影響其運(yùn)行熱效率的重要因素。為改善此種問(wèn)題，提高垃圾焚燒發(fā)電效率，嘗試通過(guò)增加爐排有效面積的方式，確保鍋爐的出力。當(dāng)無(wú)法改變爐面的表面積時(shí)，其排熱負(fù)荷也是固定不變的。例如，針對(duì)三類垃圾燃燒爐設(shè)計(jì)的鍋爐，若使用二類或一類排爐進(jìn)行燃燒，則會(huì)造成燃料消耗量的進(jìn)一步增加。同時(shí)，按照三類或二類爐排設(shè)計(jì)，若采用一類爐排進(jìn)行燃燒，不僅會(huì)使燃燒的速度變慢，同時(shí)其有效著火也十分困難。

根據(jù)這一情況，結(jié)合焚燒發(fā)電鍋爐的運(yùn)行實(shí)際，可采用適當(dāng)增加爐排有效面積的方式，確保對(duì)鍋爐的優(yōu)化處理。針對(duì)老式低效運(yùn)行的快裝鍋爐而言，在不改變其鍋爐本體的情況下，只對(duì)燃燒體系的爐排和爐拱進(jìn)行調(diào)整，不僅能夠達(dá)到提高運(yùn)行熱效率的目的，同時(shí)還能夠進(jìn)一步延長(zhǎng)焚燒燃料在爐排上的燃燒時(shí)間，確保鍋爐在運(yùn)行時(shí)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)出力。

2.4 加裝袋式除塵器

由于機(jī)械爐排鍋爐在使用的過(guò)程中其物料是循環(huán)使用的，因此會(huì)造成脫硫塔出口位置上的煙氣含塵量增加，為了確保煙氣當(dāng)中的顆粒物排放量不會(huì)影響到鍋爐的運(yùn)行熱效率，需要加裝袋式除塵器，并要求其分離效率超過(guò)99.9%。袋式除塵器的分離效率計(jì)算公式為：

3 對(duì)比分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方法的檢驗(yàn)，選擇某大型機(jī)械爐排鍋爐運(yùn)行管理單位參與實(shí)驗(yàn)，按照提出的燃燒調(diào)整原則與設(shè)計(jì)的操作方法，對(duì)機(jī)械爐排鍋爐作業(yè)模式進(jìn)行調(diào)整，完成設(shè)計(jì)后，將機(jī)械爐排鍋爐的運(yùn)行熱效率作為對(duì)比指標(biāo)，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)前，先操作機(jī)械爐排鍋爐，觀察鍋爐燃燒后爐渣的顏色，根據(jù)爐渣的不同顏色判斷機(jī)械爐排鍋爐的運(yùn)行是否符合標(biāo)準(zhǔn)。排出爐渣不同顏色代表的含義見(jiàn)表2。

表2 機(jī)械爐排鍋爐燃燒排出爐渣不同顏色代表的含義

對(duì)比此單位機(jī)械爐排鍋爐運(yùn)行后排出爐渣的顏色發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備運(yùn)行無(wú)異常。在此基礎(chǔ)上，對(duì)比本文設(shè)計(jì)操作方法與傳統(tǒng)操作方法，在操作機(jī)械爐排鍋爐時(shí)，鍋爐的熱效率進(jìn)行對(duì)比。其中熱效率計(jì)算公式如下：

從圖4 可以看出，本文操作方法在操作機(jī)械爐排鍋爐時(shí)的熱效率>傳統(tǒng)操作方法在操作機(jī)械爐排鍋爐時(shí)的熱效率，說(shuō)明設(shè)計(jì)的方法可以起到提高機(jī)械爐排鍋爐運(yùn)行熱效率的作用。

圖4 本文操作方法與傳統(tǒng)操作方法在操作機(jī)械爐排鍋爐時(shí)的熱效率變化

結(jié)束語(yǔ)

垃圾焚燒廠的設(shè)計(jì)規(guī)模越來(lái)越大，單條焚燒線已經(jīng)達(dá)到800 噸/日，而國(guó)際上特別是歐美國(guó)家，單條焚燒線已經(jīng)達(dá)到1200 噸/日。目前日本焚燒爐應(yīng)用最廣，然而日本爐排由于其地理位置原因，爐排爐設(shè)計(jì)規(guī)模較小，目前日立造船爐排在國(guó)內(nèi)最大規(guī)模是750 t/d。為了進(jìn)一步提高我國(guó)機(jī)械爐排鍋爐的運(yùn)行熱效率，本文開(kāi)展了提高其運(yùn)行效率的科學(xué)操作方法設(shè)計(jì)。